zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Luận Văn - Báo Cáo

» Thạc sĩ - Tiến sĩ - Cao học

Luận văn: Thiết kế bộ quan sát và điều khiển nhiệt độ trong phôi tấm

Chia sẻ: Orchid_1 Orchid_1 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:93

Báo xấu

191
lượt xem 47
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong công nghiệp hiện nay, ta thường giải quyết bài toán điều khiển nhiệt độ trong các lò nung theo một chỉ tiêu nào đó. Tuy nhiên chất lượng của các sản phẩm trong quá trình gia công nhiệt lại phụ thuộc vào trường nhiệt độ trong phôi. Muốn điều khiển được nhiệt độ trong phôi, ta phải đưa ra phương pháp tính toán trường nhiệt độ của nó khi biết nhiệt độ lò. Hiện nay đã có một số phương pháp tính toán, nhưng các phương pháp này đều không thuận tiện cho việc thiết kế bộ điều...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn: Thiết kế bộ quan sát và điều khiển nhiệt độ trong phôi tấm

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP -------------------------------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA thiÕt kÕ bé quan s¸t vµ ®iÒu khiÓn nhiÖt ®é trong ph«i tÊm NGÔ MINH ĐỨC THÁI NGUYÊN 2009
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP -------------------------------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ thiÕt kÕ bé quan s¸t vµ ®iÒu khiÓn nhiÖt ®é trong ph«i tÊm Học viên: Ngô Minh Đức Người HD Khoa Học: PGS.TS. Nguyễn Hữu Công THÁI NGUYÊN 2009
LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Ngô Minh Đức Sinh ngày 19 tháng 08 năm 1982 Học viên lớp cao học khoá 9 – Ngành Tự động hoá - Trường đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại khoa Điện - Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Xin cam đoan: Đề tài “Thiết kế bộ quan sát và điều khiển nhiệt độ trong phôi tấm” do thầy giáo, PGS.TS. Nguyễn Hữu Công hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu có vấn đề gì trong nội dung của luận văn thì tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình. Thái Nguyên, ngày 04 tháng 4 năm 2009
Luận văn thạc sỹ kĩ thuật LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành, lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo - PGS,TS Nguyễn Hữu Công, người đã trực tiếp chỉ bảo và hướng dẫn em trong suốt thời gian qua. Em xin bày ỏ lòng cảm ơn đối với các thầy cô giáo trong Khoa , bộ môn t cùng đông đảo bạn bè, đồng nghiệp đã cổ vũ rất nhiều cho việc thực hiện luận văn này. Mặc dù được sự chỉ bảo sát sao của thầy hướng dẫn, sự nỗ lực cố gắng của bản thân. Song vì kiến thức còn hạn chế, nên chắc chắn luận văn này không tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Em rất mong được sự chỉ bảo của các thầy cô giáo và sự góp ý chân thành của các bạn. Em xin chân thành cảm ơn! Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Luận văn thạc sỹ kĩ thuật 2 LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay đất nước ta đang trong thời kì đổi mới, thời kì công nghiệp hoá, hiện đại hóa cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin, ngành kĩ thuật điện tử là sự phát triển của kỹ thuật điều khiển và tự động hó a. Trong lĩnh vực gia công nhiệt ta thường giải quyết bài toán là điều khiển nhiệt độ trong các lò nung theo một chỉ tiêu nào đó, tuy nhiên chất l ượng của các sản phẩm trong quá trình gia công nhiệt lại phụ thuộc vào trường nhiệt độ trong phôi. Như vậy đặt ra bài toán phải điều khiển được nhiệt độ trong phôi nung theo chỉ tiêu chất lượng đặt ra, tức là phải điều khiển một thông số mà không thể dùng sensor đo được. Từ đó đặt ra bài toán “Biết vỏ tìm lõi” Trong khuôn khổ luận văn em đã đi vào nghiên cứu tìm hiểu một số phương pháp tính toán trường nhiệt độ trong phôi tấm. Nghiên cứu xây dựng mô hình quan sát nhiệt độ dưới dạng mô hình hàm truyền. Sau khi có mô hình hàm truyền về trường nhiệt độ trong tấm, đã thiết kế bộ điều khiển bằng phương pháp kinh điển và điều khiển mờ. Như vậy có thể điều khiển trường nhiệt độ trong phôi thoả mãn yêu cầu công nghệ đặt ra (Trước kia ta chỉ điều khiển được nhiệt độ trong không gian lò). Sau thời gian tìm hiểu và nghiên cứu và đặc biệt dưới sự hướng dẫn của Thầy PGS.TS Nguyễn Hữu Công luận văn đã được hoàn thành. Trong quá trình thực hiện luận văn, chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong được sự chỉ bảo của các thầy cô giáo và sự góp ý chân thành của các bạn. Em xin chân thành cảm ơn! Thái nguyên, ngày 4/4/2009 Học viên Ngô Minh Đức Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Luận văn thạc sỹ kĩ thuật 3 MỤC LỤC Nội dung Trang Lời cảm ơn ............................................................................................................ ... 1 Lời nói đầu..................................................................................................................2 Mục lục...................................................................................................................... 3 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TRƯỜNG NHIỆT ĐỘ TRONG PHÔI TẤM .....................................5 1.1. Thành lập phương trình truyền nhiệt................................................................5 1.2. Điều kiện ban đầu và điều kiện biên................................................................7 1.3. Tính toán trường nhiệt độ trong phôi tấm bằng phương pháp giải tích ..........8 1.4 Tính toán trường nhiệt độ trong phôi tấm bằng phương pháp số ...................10 1.4.1. Phương pháp sai phân giải bài toán có trị ban đầu ................................. 11 1.4.1.1. Mô hình bài toán ...............................................................................11 1.4.1.2. Lưới sai phân ................................................................................... 11 1.4.1.3. Hàm lưới ...........................................................................................11 1.4.1.4. Đạo hàm lưới ....................................................................................11 1.4.1.5. Liên hệ giữa đạo hàm và đạo hàm lưới .............................................12 1.4.1.6. Phương pháp Euler hiện................................................ .....................13 1.4.1.7. Phương pháp Euler ẩn............................................ ............................13 1.4.1.8. Phương pháp Crank – Nicolson ........................................................14 1.4.2. Phương pháp sai phân giải bài toán truyền nhiệt một chiều ...................14 1.4.2.1. Mô hình bài toán ...............................................................................14 1.4.2.2. Lưới sai phân và hàm lưới ................................................................15 1.4.2.3. Xấp xỉ các đạo hàm ...........................................................................17 1.4.2.4. Phương pháp sai phân hiện (cổ điển) ................................................18 1.4.2.5. Phương pháp ẩn (cổ điển) .................................................................19 1.4.2.6. Phương pháp Crank - Nicolson (6 điểm đối xứng) ...........................20 1.5. Kết luận chương 1..........................................................................................22 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HÀM TRUYỀN ĐỂ XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ TRONG PHÔI TẤM.......................................................23 2.1. Đặt vấn đề .....................................................................................................23 2.2. Nghiên cứu đối tượng điều khiển...................................................................23 2.3. Xây dựng mô hình hàm truyền đối với vật mỏng .........................................24 2.4. Xây dựng mô hình hàm truyền khi phôi được chia làm 2 lớp (n=2) ............25 2.5. Xây dựng mô hình hàm truyền khi phôi được chia làm 2 lớp (n=3) ............26 2.6. Xây dựng mô hình hàm truyền khi phôi được chia làm 2 lớp (n=4) ............28 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Luận văn thạc sỹ kĩ thuật 4 2.7. Xây dựng mô hình hàm truyền khi phôi đựơc chia thành n lớp ...................31 2.8. Ví dụ tính toán hàm truyền từng lớp khi chia phôi thành 1 lớp và 3 lớp .....33 2.9. Kết quả mô phỏng cho bộ quan sát nhiệt độ..................................................35 2.10. Kết luận........................................................................................................38 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TRONG PHÔI TẤM ....39 3.1. Giới thiệu một số phương pháp thiết kế ........................................................39 3.1.1. Phương pháp đa thức đặc trưng có hệ số suy giảm thay đổi được...........39 3.1.2. Phương pháp bù hằng số thời gian trội ...................................................42 3.1.3. Thiết kế bộ điều chỉnh cho hệ có hành vi tích phân ..............................46 3.1.4. Phương pháp thiết kế bộ bù ....................................................................50 3.1.5. Bộ điều khiển mờ ....................................................................................51 3.1.6. Thiết kế bộ điều khiển mờ ......................................................................67 3.2. Thiết kế..........................................................................................................75 3.2.1. Thiết kế bộ điều khiển PID điều khiển nhiệt độ cho lớp 2 khi chia phôi làm 3 lớp .........................................................................................75 3.2.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ điều khiển nhiệt độ cho lớp 2 khi chia phôi làm 3 lớp .........................................................................................77 CHƯƠNG 4: CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG...........................................................83 4.1. Kết quả mô phỏng khi thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển nhiệt độ cho lớp 1 và lớp 2 khi phôi được chia thành 3 lớp ...........................................83 4.2. Kết quả mô phỏng khi thiết kế bộ điều khiển mờ để điều khiển nhiệt độ cho lớp 1 và lớp 2 khi phôi được chia thành 3 lớp ...........................................84 4.3. Kết luận và kiến nghị nghiên cứu tiếp theo......................................................85 4.3.1 Kết luận.......................................................................................................85 4.3.2 Những kiến nghị nghiên cứu tiếp theo........................................................85 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................86 PHỤ LỤC..................................................................................................................87 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Luận văn thạc sỹ kĩ thuật 5 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TRƯỜNG NHIỆT ĐỘ TRONG PHÔI TẤM 1.1. Thành lập phương trình truyền nhiệt Xét một vật rắn truyền nhiệt đẳng hướng, u ( x, y, z , t ) là nhiệt độ c ủa nó tại điểm ( x, y, z ) ở thời điểm t . Nếu tại các điểm khác nhau của vật nhiệt độ khác nhau thì nhiệt sẽ truyền từ điểm nóng hơn tới điểm nguội hơn. Sự truyền nhiệt đó tuân theo định luật sau: Nhiệt lượng ∆Q đi qua m mảnh mặt khá bé ∆S chứa điểm ( x, y, z ) trong một ột ∂u khoảng thời gian ∆t tỷ lệ với ∆S , ∆t và đạo hàm pháp tuyến . Tức là ∂n ∂u ∆Q = − k ( x, y, z )∆t∆S (1.1) ∂n Trong đó k ( x, y, z ) > 0 là hệ số truyền nhiệt ( k ( x, y, z ) không phụ thuộc vào hướng  của pháp tuyến với ∆S vì sự truyền nhiệt là đẳng hướng), n là vectơ pháp của ∆S hướng theo chiều giảm nhiệt độ. Gọi q là dòng nhiệt, tức là nhiệt lượng đi qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị ∂u thời gian. Từ (1.1) ta suy ra q = −k . ∂n Bây giờ ta lấy trong vật một thể tích tuỳ ý V giới hạn bởi một mặt kín trơn S và xét sự biến thiên của nhiệt lượng trong thể tích đó trong khoảng thời gian từ t1 đến t 2 .Từ (1.1) ta suy ra nhiệt lượng qua mặt S vào trong từ thời điểm t1 đến thời điểm ∂u t2 Q1 = − ∫ dt ∫∫ k ( x, y, z ) t 2 là ds . ∂n t1 S  Trong đó n là vecvtơ pháp hư vào trong của mặt ớng S . Áp d ng công thức ụ Ostrogradsky để đổi từ tích phân trên mặt S sang tích phân ba lớp ta được t2 Q1 = ∫ dt ∫∫∫ div(kgradu )dxdydz t1 V Giả sử rằng trong vật có các nguồn nhiệt, gọi F ( x, y, z , t ) là mật độ của chúng tức là nhiệt lượng sinh ra hay mất đi trong một đơn vị thể tích của vật và trong một đơn vị thời gian. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Luận văn thạc sỹ kĩ thuật 6 Nhiệt lượng sinh ra hay mất đi trong thể tích V từ thời điểm t1 đến thời điểm t 2 là t2 Q2 = ∫ dt ∫∫∫ F ( x, y, z )dxdydz t1 V Mặt khác ta lại biết rằng nhiệt lượng cần cho thể tích V của vật thay đổi nhiệt độ từ u ( x, y, z , t1 ) đến u ( x, y, z , t 2 ) là Q3 = ∫∫∫ [u ( x, y, z , t 2 ) − u ( x, y, z , t1 )]C ( x, y, z ) ρ ( x, y, z )dxdydz . V Trong đó C ( x, y, z ) là nhiệt dung, ρ ( x, y, z ) là mật độ của vật. ∂u ∂u t2 t 2 u ( x, y, z , t 2 ) − u ( x, y, z , t1 ) = ∫ dt nên có thể viết Q3 = ∫ dt ∫∫∫ Cρ Vì dxdydz . ∂t ∂t t1 t1 V Mặt khác Q3 = Q1 + Q2 nên ta có ∂u t2   ∫ dt ∫∫∫ Cρ ∂t − div(kgradu ) − F ( x, y, z, t ) dxdydz = 0   t1 V Vì khoảng thời gian (t1 , t 2 ) và thể tích V được chọn tuỳ ý, nên tại mọi điểm ( x, y, z ) của vật và ở mọi thời điểm t biểu thức dưới dấu tích phân đều bằng không ∂u = div(kgradu ) + F ( x, y, z , t ) . Cρ ∂t ∂u ∂  ∂u  ∂  ∂u  ∂  ∂u  Cρ =  k  +  k  +  k  + F ( x, y , z , t ) Hay (1.2) ∂t ∂x  ∂x  ∂y  ∂y  ∂z  ∂z    Phương trình đó gọi là phương trình truyền nhiệt trong vật đẳng hướng không đồng chất. Nếu vật đồng chất thì C , ρ , k là những hằng số và phương trình có dạng  ∂ 2u ∂ 2u ∂ 2u  ∂u = a 2  2 + 2 + 2  + f ( x, y , z , t ) (1.3)  ∂x ∂z  ∂t ∂y   k F ( x, y , z , t ) Trong đó a 2 = . Đó là phương trình truyền nhiệt không , f ( x, y , z , t ) = Cρ Cρ thuần nhất. Nếu trong vật không có nguồn nhiệt thì F ( x, y, z, t ) ≡ 0 ta s được ẽ phương trình truyền nhiệt thuần nhất:  ∂ 2u ∂ 2u ∂ 2u  ∂u = a2 2 + 2 + 2  (1.4)  ∂x ∂z  ∂t ∂y   Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Luận văn thạc sỹ kĩ thuật 7 Nếu ta xét sự truyền nhiệt trên một một vật đồng chất rất mỏng (chỉ khảo sát sự truyền nhiệt theo hai phương) đặt trên mặt phẳng Oxy thì nhiệt độ u ( x, y, t ) tại điểm ( x, y ) ở thời điểm t thoả mãn phương trình truyền nhiệt: 2 ∂ u ∂ 2u  ∂u 2  2 + 2  + f ( x, y , t ) =a  (1.5) ∂y  ∂t  ∂x  Còn phương trình truyền nhiệt trên một vật đồng chất rất mỏng đặt dọc theo trục x là: ∂u ∂ 2u = a 2 2 + f ( x, t ) (1.6) ∂t ∂x 1.2. Điều kiện ban đầu và điều kiện biên Trong vật lý ta biết rằng muốn xác định được nhiệt độ tại mọi điểm trong vật ở mọi thời điểm, ngoài phương trình (1.3) ta còn cần phải biết phân bố nhiệt độ trong vật ở thời điểm đầu và chế độ nhiệt độ ở biên S của vật. Điều kiện biên có thể cho bằng nhiều cách * Cho biết nhiệt độ tại mỗi điểm P của biên S u | S = ψ 1 ( P, t ) (1.7) ∂u * Tại mọi điểm của biên S cho biết d òng nhiệt q = −k vậy ta có điều kiện biên ∂n ∂u = ψ 2 ( P, t ) (1.8) ∂n S − q ( P, t ) Trong đó ψ 2 ( P, t ) = là một hàm cho trước. k * Trên biên S của vật có sự trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh, mà nhiệt độ của nó là u 0 thì ta có điều kiện biên sau:  ∂u   ∂n + h(u − u 0 ) = 0 (1.9)  S ∂u Nếu biên S cách nhiệt thì h = 0 suy ra (1.9) trở thành =0 ∂n S Như vậy bài toán truyền nhiệt trong một vật rắn, đồng chất truyền nhiệt đẳng hướng đặt ra như sau: Tìm nghiệm của phương trình (1.3) thoả mãn điều kiện đầu u t =0 = ϕ ( x, y, z ) và một trong các điều kiện biên (1.7)(1.8)(1.9) . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Luận văn thạc sỹ kĩ thuật 8 1.3. Tính toán trường nhiệt độ trong phôi tấm bằng phương pháp giải tích Giới hạn bài toán là một tấm phẳng có chiều dày 2s, hệ số dẫn nhiệt λ, có hệ số toả nhiệt từ bề mặt tới môi trường là α. Giả thiết đặt gốc toạ độ ở tâm của tấm phẳng, ta có phương trình truyền nhiệt như sau: ∂u ∂ 2u =a 2 (1-10) ∂τ ∂x Trong đó:u(x,τ=0) = uo=const ∂u ∂u 0; − λ α (tw − = = tf ) ∂ x x 0= S ∂x x = Trong công thức trên: a- là hệ số dẫn nhiệt độ u- hàm nhiệt độ của vật Với tf là nhiệt độ trong không gian lò nung. Để giải phương trình (1 -10) ta dùng phương pháp phân ly biến số: Đặt: u(x,τ) = ϕ(τ).ψ(x) ta có : ∂u = ψ ( x).ϕ , (τ ) ∂τ ⇒ ψ ( x).ϕ , (τ ) = ) a.ψ ,, ( x).ϕ (τ ∂ 2u = ψ ,, ( x).ϕ (τ ) ∂x 2 Phương trình (1-10) sẽ tương đương với: ϕ , (τ ) ϕ ,, ( x) = (1-11) aϕ (τ ) ϕ ( x) Phương trình (1-11) vế trái là một hàm theo thời gian τ, vế phải là một hàm theo toạ độ không gian x, do đó chỉ thoả mãn khi cả hai vế đều là hằng số. Ta kí hiệu hằng số này là k2, vậy từ (1-11) ta có : ϕ,(τ) =ak2ϕ(τ) (1-12) ϕ‘’(τ) = k2ψ(x) (1-13) Nghiệm tổng quát của (1-12) là : ϕ(τ) = B1exp(ak2τ) Nghiệm tổng quát của (1-13) là: ψ(x) = B2exp(kx) + B3exp(-kx) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Luận văn thạc sỹ kĩ thuật 9 Vậy nghiệm của (1-10) là: u(x, τ) = ϕ(τ) . ψ(x) = B1exp(ak2τ).[B2exp(kx) + B3exp(-kx)] (1-14) Ta thấy nhiệt độ không thể tăng vô hạn theo thời gian nên k2< 0. Đặt k2 =-q2 hay k= ±iq. ⇒ (1-14) trở thành . u(x,τ) = B1exp(-aq2τ)[B4cosqx +B5isinqx) (1-15) Cả phần thực và phần ảo của (1-15) đều là nghiệm của phương trình vi phân và tổng các nghiệm cũng là 1 nghiệm. Vậy nghiệm của phương trình có dạng: u(x,τ) = C1exp(-aq2τ)[C2cosqx +C3sinqx] (1-16) Vì: ∂u = 0 nên C3 = 0 . Vậy nghiệm trở thành: ∂ x x =0 u(x,τ) = Aexp(-aq2τ)cosqx (1-17) ∂u α =tw − t f ) ta nhận được phương trình đặc −( Hơn nữa từ điều kiện biên ∂ x x=s λ trưng: µ qs hay cot g µ = cot gqs = (1-18) Bi Bi αs Trong đó qs =µ và tiêu chuẩn Biô Bi = λ Phương trình (1-18) có hàng loạt nghiệm µ1, µ2, ... µn... các nghiệm này thoả mãn: µ1
Luận văn thạc sỹ kĩ thuật 10 Khi sử dụng các điều kiện đầuđã cho,ta xác định được ẩn số còn lại trong phương trình (1-17) bằng cách nhân hai vế của phương trình với cos µn = x , sau đó lấy tích s phân theo cận từ x= - s đến x= + s ta có : 2sin µn An = u0 (1-20) µn + sin µn cos µn Tóm lại nghiệm của (1-10) là : 2uo sin µn 2 aτ ∞ x ∑µ cos( µn )exp(− µn 2 ) = (1-21) u n + sin µ n cos µ n s s n =1 Khi ta sử dụng các tổ hợp không thứ nguyên ( hệ tương đối ) u , : là nhiệt độ không thứ nguyên u= uo ∆n x X= và hệ số không thứ nguyên Dn = s uo aτ F0 = Thời gian không thứ nguyên (theo tiêu chuẩn Fourier) , s2 Phương trình (1-21) được viết ∞ u =∑ Dn cos( n μ x)exp(-μ F ) 2 , (1-22) n o n=1 Thực tế cho thấy khi Fo đủ lớn, số hạng của chuỗi (1-22) giảm rất nhanh. Khi F o≥ 0,3 ta chỉ cần lấy số hạng đầu tiên của chuỗi mà sai số không vượt quá 1%. Ngoài phương pháp giải tích người ta còn dùng phương ph áp số để giải bài toán dẫn nhiệt tức là dùng phương pháp sai phân 1.4. Tính toán trường nhiệt độ trong phôi tấm bằng phương pháp số Như đã biết việc sử dụng các công cụ giải tích để tính toán các bài toán kĩ thuật có nhiều hạn chế, do đó người ta tìm cách tính gần đúng bằng các phương pháp số. Ở đây xin giới thiệu phương pháp sai phân, trư hết ta xét một số bài toán đơn giản ớc đối với phương trình vi phân thường. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Luận văn thạc sỹ kĩ thuật 11 1.4.1. Phương pháp sai phân giải bài toán có trị ban đầu 1.4.1.1. Mô hình bài toán Cho khoảng [x0, X]. Tìm hàm u = u(x) xác định tại [x 0, X] và thỏa mãn: = f ( x, u ) x0 < x < X u, (1.23) u ( x0 ) = η (1.24) Trong đó f(x,u) là một hàm số cho trước và η là một số cho trước. Giả sử bài toán (1.23), (1.24) có nghiệm u = u(x) đủ trơn, nghĩa là nó có đạo hàm liên tục đến cấp mà ta cần. 1.4.1.2. Lưới sai phân Ta chia đoạn [x 0, X] thành N đo con bằng nhau, mỗi đoạn con dài h (b − a) / N ạn = bởi các điểm xi = 0 + ih, i =0,1,.., N (hình 1.1). Tập các điểm x i gọi là một lưới sai x phân trên [x0, X] ký hiệu là Ω h , mỗi điểm xi gọi là một nút của lưới, h gọi là bước đi của lưới. x xN=X x0 x1 x2 xi xi+1 Hình 1.1 Lưới sai phân Ta sẽ tìm cách tính gần đúng giá trị của nghiệm u(x) tại các nút xi của lưới Ω h , . Đó là ý tưởng đầu tiên của phương pháp sai phân, còn gọi là phương pháp lưới. 1.4.1.3. Hàm lưới Đó là những hàm số xác định tại các nút của lưới Ω h , . Giá trị của hàm lưới v tại nút xi viết là vi. Một hàm số u(x) xác định tại mọi x ∈ [a,b] sẽ tạo ra hàm lưới u có giá trị tại nút xi là ui = u(xi). 1.4.1.4. Đạo hàm lưới Xét hàm số v. Đạo hàm lưới tiến cấp một của v, ký hiệu là vx, có giá trị tại nút xi là: vi +1 − vi vxi = h Đạo hàm lưới lùi cấp một của v, ký hiệu vx , có giá trị tại nút xi là: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Luận văn thạc sỹ kĩ thuật 12 vi − vi −1 vxi = h Khi h bé thì đạo hàm lưới “xấp xỉ” được đạo hàm thường. 1.4.1.5. Liên hệ giữa đạo hàm và đạo hàm lưới Giả sử hàm u(x) đủ trơn theo công thức Taylor ta có: u ( xi +1 )= u ( xi + h)= u ( xi ) + h u( xi ) + O(h 2 ) ' Ta suy ra: u ( xi +1 ) − u ( xi ) = = u ' ( xi ) + O(h) (1.25) u xi h Cũng có: u ( xi −1 )= u ( xi − h)= u ( xi ) − h u( xi ) + O(h 2 ) ' Do đó: u ( xi ) − u ( xi −1 ) = = u ' ( xi ) + O(h) (1.26) u xi h Ngoài ra với quy ước: h xi +1/ 2 = ui +1/ 2 =) xi + , u ( xi +1/ 2 2 Ta còn có: h h 1h u ( xi = u ( xi +1/ 2 + = u ( xi +1/ 2 ) + u ' ( xi +1/ 2 ) + ( ) 2 u '' ( xi +1/ 2 ) + O(h3 ) +1 ) ) 2 2 2! 2 h h 1h u ( xi ) u ( xi +1/ 2 − = u ( xi +1/ 2 ) − u ' ( xi +1/ 2 ) + ( ) 2 u '' ( xi +1/ 2 ) + O(h3 ) = ) 2 2 2! 2 Ta suy ra: u ( xi +1 ) − u (= h u( xi +1/ 2 ) + O(h3 ) ' xi ) Do đó: u ( xi +1 ) − u ( xi ) = u= = u ' ( xi +1/ 2 ) + O(h 2 ) (1.27) xi h Đồng thời: u ( xi +1 ) + u ( xi ) = u ( xi +1/ 2 ) + O(h 2 ) (1.28) 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Luận văn thạc sỹ kĩ thuật 13 1.4.1.6. Phương pháp Euler hiện Trong (1.23) thay u ' ( xi ) bởi u xi thì (1.25) cho: u ( xi +1 ) − u ( xi ) u xi = = u ' ( xi ) + O(h) = f ( xi , u ( xi )) + O(h) h Ta suy ra: u ( xi +1 ) = h f xi , u ( xi )) + O(h 2 ) u ( xi ) + ( (1.29) Bỏ qua vô cùng bé O(h 2 ) và thay u ( xi ) bởi vi xem là gần đúng của u ( xi ) , ta được: vi +1 vi + hf ( xi , vi ) = (1.30) Công th ức (1.30) cho phép tính vi +1 khi đ ã bi ết v. D ựa vào (1.24) ta đặt thêm điều kiện: i v0 = η (1.31) Thì hai công thức (1.30), (1.31) cho phép tính ra tất cả các v i. Phương pháp tính vi bằng (1.30), (1.31) g ọi là phương pháp Euler.Sau khi đ ã có vi ta xem vi là gần đúng của u(xi). Phương pháp Euler là phương pháp sai phân đơn gi nhất để giải gần đúng ản bài toán (1.23), (1.24). Ở đây khi đã biết vi muốn tính vi+1 ta chỉ phải tính giá trị của biểu thức ở vế phải của (1.30), chứ không phải giải một phương trình đại số nào. Vì lẽ đó phương pháp sai phân (1.30), (1.31) thu loại phương pháp sa i phân hiện. Nó cũng có tên ộc là phương pháp Euler hiện. 1.4.1.7. Phương pháp Euler ẩn Nếu trong (1.23) thay u ' ( xi ) bởi u xi thì (1.26) cho: u ( xi ) − u ( xi −1 ) u xi = = u ' ( xi ) + O(h) = f ( xi , u ( xi )) + O(h) h Ta suy ra: u ( xi ) =1 ) + h f xi , u ( xi )) + O(h 2 ) (1.32) u ( xi − ( Bỏ qua vô cùng bé O(h 2 ) và thay u(xi) bởi vi xem là gần đúng của u(xi), ta được: = vi −1 + hf ( xi , vi ) (1.33) vi Công thức (1.33) cho phép tính v i khi đã biết v i-1. Thêm điều kiện (1.31) thì các công thức (1.31), (1.33) cho phép tính ra tất cả các v i. Phương pháp tính vi bằng (1.33), (1.31) l i là một phương pháp sai phân khác. Ở đây khi đã biết v i -1 muốn ạ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Luận văn thạc sỹ kĩ thuật 14 tính ra vi ta phải giải phương trình đại số (1.33) đối với ẩn số v i. Vì lẽ đó phương pháp sai phân này thu loại phương pháp sai phân ẩn. Nó cũng có tên là phương ộc pháp Euler ẩn. 1.4.1.8. Phương pháp Crank - Nicolson Nếu áp dụng (1.27) ta có: u ( xi +1 ) − u ( xi ) = u ' ( xi +1/ 2 ) + O(h 2 ) f ( xi +1/ 2 , u ( xi +1/ 2 )) + O(h 2 ) = h Theo (1.28) ta lại có: f ( xi +1 , u ( xi +1 )) + f ( xi , u ( xi )) = + O(h 2 ) f ( xi +1/ 2 , u ( xi +1/ 2 )) 2 Ta suy ra: u ( xi +1 ) − u ( xi ) f ( xi +1 , u ( xi +1 )) + f ( xi , u ( xi )) = + O(h 2 ) h 2 Do đó: h u ( xi +1 ) = ( xi +1 , u ( xi +1 )) + f ( xi , u ( xi ))]+O(h 3 ) u ( xi ) + [ f (1.34) 2 Bỏ qua vô cùng bé O(h3 ) và thay u(xi) bởi vi xem là gần đúng của u(xi), ta được: h vi +1 =+1 , vi +1 ) + f ( xi , vi )] v i + [ f ( xi (1.35) 2 Công thức (1.35) cho phép tính v i+1 khi đã biết v i. Thêm điều kiện (1.31) thì công thức (1.35), (1.31) cho phép tính ra tất cả các vi. Ở đây khi đã biết v i muốn tính ra vi+1 ta phải giải phương trình đại số (1.35) đối với ẩn số vi+1. Vì lẽ đó phương pháp tính vi bằng (1.35), (1.31) thuộc loại phương pháp sai phân ẩn. Nó có tên là phương pháp Crank - Nicolson. 1.4.2. Phương pháp sai phân giải bài toán truyền nhiệt một chiều 1.4.2.1. Mô hình bài toán Cho các số a, b; a < b và T > 0. Xét: QT = (0, T ]; QT =[0,T] ( a, b) × [a,b] × Xét bài toán biên thứ nhất đối với phương trình truyền nhiệt: Tìm hàm số u(x, t) thỏa mãn: ∂u ∂ 2u Lu ≡ = f ( x, t ), ( x, t ) ∈ QT − (1.36) ∂t ∂x 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Luận văn thạc sỹ kĩ thuật 15 u= g ( x), a < x < b (1.37) ( x, 0) = g a (t ), = gb (t ), 0 < t ≤ T (1.38) u ( a, t ) u (b, t ) Trong đó f(x, t), g(x), ga(t), gb(t) là những hàm số cho trước. Phương trình (1.36) là phương trình Parabol ic và gọi phương trình (1.36) là phương trình truyền nhiệt một chiều. Biến x gọi là biến không gian, còn biến t là biến thời gian. Bài toán (1.36) - (1.38) là một bài toán vừa có điều kiện ban đầu (đó là điều kiện (1.37)), vừa có điều kiện biên (đó là điều kiện (1.38)); Đó là bài toán biên loại một đối với phương trình (1.36). Giả sử bài toán (1.36) - (1.38) có nghiệm duy nhất đủ trơn trong QT . 1.4.2.2. Lưới sai phân và hàm lưới a. Lưới sai phân Chọn hai số nguyên N > 1 và M ≥ 1 và đặt: b−a h = , xi =+ ih, i = 2,..., N a 0,1, N T τ τ, j = = j= 0,1, 2,..., M , tj M Ta chia miền Q T thành ô bởi những đường thẳng x = x i, t = tj (Hình 1.2). Mỗi điểm (xi, tj) gọi là một nút, nút điểm (x i, tj) còn được viết gọn là (i, j); h gọi là bước đi theo không gian, τ gọi là bước đi theo thời gian. Tập tất cả các nút tạo thành một lưới sai phân trên QT . Lưới trên [a,b] (lưới vi không gian): Tập: {x = 1, 2,..., N − 1} Ωh = i i gọi là tập các nút trên [a, b]. Tập: {x = 0, N } gọi là tập các nút biên trên [a, b]; nút 0 và nút N là hai nút Γh = i i biên. Tập: Ωh = Ωh ∪ Γ h gọi là một lưới sai phân trên [a,b]. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Luận văn thạc sỹ kĩ thuật 16 t tM =T tj xN = b x0 = a x 0 xi Hình 1.2 Lưới sai phân và hàm lưới Lưới trên [0, T] (lưới thời gian): Tập: {t = 1, 2,..., M } gọi là một lưới sai phân trên (0, T]. Tập: Ωτ = j j Ωτ = t j j =0,1,..., M } =Ωτ ∪ {t0 =0} gọi là một lưới sai phân trên [0, T]; nút { t0 = 0 là nút ban đầu. Tập: Ω hτ = Ω h × Ωτ là tập các nút trong trên QT . { x0= a} × Ωτ gọi là tập các nút biên trái. Tập: Γ hτ= + { xN= b} × Ωτ gọi là tập các nút biên phải. Tập: Γ hτ= 0 Tập: Γ =Ω h × {t0 =0} gọi là tập các nút ban đầu. hτ Như vậy tập: + 0 chính là lưới sai phân trên QT . Ω hτ = Ω h × Ωτ = Ω hτ ∪ Γ hτ ∪ Γ ∪ Γ hτ hτ Ta phân lưới sai phân QT thành nhiều lớp: Lớp thứ j tạo bởi các nút ứng cùng một giá trị thời gian tj là: {( x= 0,1,..., N } ; nút (x0, tj) = (a, tj) và (xN, tj) = (b, tj) là hai nút biên. = Ω hj , t ), i i j Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Luận văn thạc sỹ kĩ thuật 17 b. Hàm lưới Hàm số xác định tại các nút của một lưới nào đó gọi là một hàm lưới. Giá trị của hàm lưới v tại nút (i, j) viết là vij . Các giá trị của hàm lưới v tại các nút của lớp Ω hj tạo thành hàm lưới v j xác định trên Ω h . Ta có: = (v0j , v1j ,..., vN ) ∈ R N +1 vj j Trong tập các hàm lưới này ta xét hai loại chuẩn: {} = max vij ; v= (v0j ) 2 + (v1j ) 2 + ... + (vN ) 2 vj j j ∞ 0≤i ≤ N 2 Mỗi hàm số u(x, t) xác định trên QT có giá trị tại (i, j) là u(xi, tj) và tạo ra hàm lưới u xác định bởi uij = u ( xi , t j ) . 1.4.2.3. Xấp xỉ các đạo hàm Áp dụng công thức Taylor ∆x ' (∆x) 2 '' (∆x) m ( m ) F ( x) + O((∆x) m +1 ) F ( x + ∆x) F ( x) + = F ( x) + F ( x) + . .+ . 1! 2! m! Ta có: u ( xi , t j +1 ) − u ( xi , t j ) ∂u ( xi , t j ) + O(τ ) = (1.39) τ ∂t u ( xi , t j +1 ) − u ( xi , t j ) ∂u ( xi , t j +1 ) + O(τ ) = (1.40) τ ∂t u ( xi , t j +1 ) − u ( xi , t j ) ∂u ( xi , t j + l / 2) + O(τ 2 ) = (1.41) τ ∂t u ( xi +1 , t j ) − 2u ( xi , t j ) + u ( xi −1 , t j ) ∂ 2u = ( xi , t j ) + O(h 2 ) (1.42) ∂x 2 h2 u ( xi +1 , t j +1 ) − 2u ( xi , t j +1 ) + u ( xi −1 , t j +1 ) ∂ 2u = ( xi , t j +1 ) + O(h 2 ) (1.42a) ∂x 2 2 h 1  u ( xi +1 , t j +1 ) − 2u ( xi , t j +1 ) + u ( xi −1 , t j +1 ) u ( xi +1 , t j ) − 2u ( xi , t j ) + u ( xi −1 , t j )  +   h2 h2 2  (1.43) ∂ 2u ( xi , t j + τ / 2) + O(h 2 + τ 2 ) = ∂x 2 Như vậy, ta có nhiều cách xấp xỉ phương trình đạo hàm riêng (1.36). Từ đó ta suy ra nhiều phương án khác nhau thay thế bài toán vi phân bởi bài toán sai phân. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2431 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.